Dottor Lester Barnsley, scienziato degli strumenti al Forschungszentrum Juelich, al sistema di diffusione di neutroni a piccolo angolo KWS-1 dell'Heinz Maier-Leibnitz Zentrum presso l'Heinz Maier-Leibnitz Research Neutron Source (FRM II) presso l'Università tecnica di Monaco di Baviera, dove sono stati studiati i polimeri dei pennelli da bottiglia. Credito:Wenzel Schuermann/TUM
Sembrano microscopici scovolini:polimeri con la spina dorsale e ciuffi di aste laterali. Questo design molecolare conferisce loro abilità insolite:ad esempio, possono legare gli agenti attivi e rilasciarli nuovamente al variare della temperatura. Con l'aiuto dei neutroni, un gruppo di ricerca dell'Università tecnica di Monaco (TUM) è ora riuscito a svelare i cambiamenti nella struttura interna nel corso del processo.
"La struttura dei polimeri scovolino, che sono solo nanometri di dimensioni, non può essere studiato con metodi ottici classici:si può vedere che una soluzione acquosa contenente questi polimeri diventa torbida ad una certa temperatura. Ma perché questo è il caso, e come la spina dorsale e le braccia laterali si estendono nell'acqua o si contraggono, non è stato ancora chiarito, " riferisce la prof.ssa Christine Papadakis.
C'è una semplice ragione per cui gli scienziati vorrebbero saperne di più sulla vita interna dei polimeri per scovolini:le molecole soffici, che sono costituiti da diverse catene polimeriche e cambiano bruscamente la loro solubilità in acqua a una certa temperatura, sono candidati promettenti per una varietà di applicazioni.
Per esempio, potrebbero essere usati come catalizzatori per accelerare le reazioni chimiche, come interruttori molecolari per aprire o chiudere minuscole valvole, o come mezzo di trasporto per i farmaci:i pennelli molecolari potrebbero così portare i prodotti farmaceutici in un centro di infiammazione e, perché la temperatura è elevata lì, rilasciarli direttamente nel luogo di azione.
Però, il presupposto fondamentale per l'utilizzo delle molecole a spazzola è che il loro comportamento possa essere programmato:in teoria, i chimici possono utilizzare una combinazione di elementi costitutivi idrosolubili e insolubili in acqua per determinare con precisione a quale temperatura i polimeri si aggregano e il liquido in cui sono stati appena disciolti diventa torbido. "In pratica, però, devi sapere esattamente come e in quali condizioni cambia la struttura dei polimeri se vuoi progettare molecole di spazzole intelligenti, " spiega Papadakis.
I neutroni rivelano la loro vita interiore molecolare
Insieme al suo team nel Soft Matter Physics Group presso l'Università tecnica di Monaco, ora è stata in grado di visualizzare per la prima volta i cambiamenti che subiscono i polimeri portabottiglie con bracci costituiti da due diversi tipi di mattoni quando la temperatura raggiunge il punto di intorbidamento.
Al riscaldamento delle spazzole molecolari termoreattive con catene laterali di copolimero di ossido di propilene/ossido di etilene in soluzione acquosa si scindono le molecole d'acqua. A seconda della struttura del polimero la struttura molecolare collassa al punto di intorbidamento, con conseguente bobine polimeriche insolubili in acqua, che formano grappoli sciolti o compatti a seconda del contenuto di acqua residua. Attestazione:Reiner Mueller/TUM
Gli scienziati hanno utilizzato la radiazione di neutroni della Research Neutron Source Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) nel campus Garching in uno strumento speciale per la diffusione di neutroni a piccolo angolo, gestito dal Forschungszentrum Jülich
Questo metodo è particolarmente adatto per l'indagine perché i neutroni sono elettricamente neutri e quindi penetrano facilmente nella materia. Là sono dispersi dai nuclei atomici, che si traduce in informazioni dettagliate sulle molecole del pennello. In combinazione con la moderna criomicroscopia elettronica, una comprensione dettagliata di queste molecole potrebbe essere ottenuta.
Quando i pennelli si raggruppano insieme
Le molecole delle spazzole termoreattive studiate dal team di Papadakis sono state sintetizzate da chimici della National Hellenic Research Foundation in Grecia e della Technische Universität Dresden, rispettivamente.
Nel primo passo, i campioni sono stati sciolti in acqua, poi gradualmente riscaldato fino al punto di intorbidamento e irradiato con neutroni. Un rilevatore ha monitorato la radiazione diffusa. Dal segnale di dispersione, i ricercatori sono stati in grado di dedurre i cambiamenti strutturali.
A seconda della struttura dei polimeri, le molecole d'acqua si sono scisse già prima del raggiungimento del punto di intorbidamento. Nel punto di nuvola stesso, la struttura molecolare dei polimeri è collassata. Ciò che rimaneva erano bobine polimeriche insolubili in acqua, che formavano grappoli sciolti o compatti a seconda del contenuto di acqua residua.
"I risultati aiuteranno a sviluppare polimeri per scovolini adatti all'uso pratico, " il fisico è convinto. "Se sai esattamente come cambiano i polimeri nel punto di intorbidamento, è possibile ottimizzare la loro struttura chimica per diverse applicazioni."